OPTIMIZATION OF RAILWAY TRANSPORTATION HAZMATS AND REGULAR COMMODITIES

Transportation of dangerous goods has been receiving more attention in the realm of academic and scientific research during the last few decades as countries have been increasingly becoming industrialized throughout the world, thereby making Hazmats an integral part of our life style. However, the number of scholarly articles in this field is not as many as those of other areas in SCM. Considering the low-probability-and-high-consequence (LPHC) essence of transportation of Hazmats, on the one hand, and immense volume of shipments accounting for more than hundred tons in North America and Europe, on the other, we can safely state that the number of scholarly articles and dissertations have not been proportional to the significance of the subject of interest. On this ground, we conducted our research to contribute towards further developing the domain of Hazmats transportation, and sustainable supply chain management (SSCM), in general terms. Transportation of Hazmats, from logistical standpoint, may include all modes of transport via air, marine, road and rail, as well as intermodal transportation systems. Although road shipment is predominant in most of the literature, railway transportation of Hazmats has proven to be a potentially significant means of transporting dangerous goods with respect to both economies of scale and risk of transportation; these factors, have not just given rise to more thoroughly investigation of intermodal transportation of Hazmats using road and rail networks, but has encouraged the competition between rail and road companies which may indeed have some inherent advantages compared to the other medium due to their infrastructural and technological backgrounds. Truck shipment has ostensibly proven to be providing more flexibility; trains, per contra, provide more reliability in terms of transport risk for conveying Hazmats in bulks. In this thesis, in consonance with the aforementioned motivation, we provide an introduction into the hazardous commodities shipment through rail network in the first chapter of the thesis. Providing relevant statistics on the volume of Hazmat goods, number of accidents, rate of incidents, and rate of fatalities and injuries due to the incidents involving Hazmats, will shed light onto the significance of the topic under study. As well, we review the most pertinent articles while putting more emphasis on the state-of-the-art papers, in chapter two. Following the discussion in chapter 3 and looking at the problem from carrier company’s perspective, a mixed integer quadratically constraint problem (MIQCP) is developed which seeks for the minimization of transportation cost under a set of constraints including those associating with Hazmats. Due to the complexity of the problem, the risk function has been piecewise linearized using a set of auxiliary variables, thereby resulting in an MIP problem. Further, considering the interests of both carrier companies and regulatory agencies, which are minimization of cost and risk, respectively, a multiobjective MINLP model is developed, which has been reduced to an MILP through piecewise linearization of the risk term in the objective function. For both single-objective and multiobjective formulations, model variants with bifurcated and nonbifurcated flows have been presented. Then, in chapter 4, we carry out experiments considering two main cases where the first case presents smaller instances of the problem and the second case focuses on a larger instance of the problem. Eventually, in chapter five, we conclude the dissertation with a summary of the overall discussion as well as presenting some comments on avenues of future work

Méthode de génération de colonnes pour les problèmes de conception de réseaux avec coûts d’ajout de capacité

Les problèmes de conception de réseaux ont reçu un intérêt particulier et ont été largement étudiés de par leurs nombreuses applications dans différents domaines, tels que les transports et les télécommunications. Nous nous intéressons dans ce mémoire au problème de conception de réseaux avec coûts d’ajout de capacité. Il s’agit d’installer un ensemble d’équipements sur un réseau en vue de satisfaire la demande, tout en respectant les contraintes de capacité, chaque arc pouvant admettre plusieurs équipements. L’objectif est de minimiser les coûts variables de transport des produits et les coûts fixes d’installation ou d’augmentation de capacité des équipements. La méthode que nous envisageons pour résoudre ce problème est basée sur les techniques utilisées en programmation linéaire en nombres entiers, notamment celles de génération de colonnes et de coupes. Ces méthodes sont introduites dans un algorithme général de branch-and-bound basé sur la relaxation linéaire. Nous avons testé notre méthode sur quatre groupes d’instances de tailles différentes, et nous l’avons comparée à CPLEX, qui constitue un des meilleurs solveurs permettant de résoudre des problèmes d’optimisation, ainsi qu’à une méthode existante dans la littérature combinant des méthodes exactes et heuristiques. Notre méthode a été plus performante que ces deux méthodes, notamment pour les instances de très grandes tailles.Network design problems received a particular interest and have been widely studied because of their many applications in different areas, such as logistics and telecommunications. We focus in this work on the multicommodity capacitated network design problem with capacity expansion costs. It consists in opening a set of facilities on a network in order to meet the demand of some commodities, while respecting the capacity constraints. Each arc can admit several facilities. The objective is to minimize the commodities transportation costs, and the fixed costs of opening or increasing the capacity of the facilities. The method we are using to solve this problem is based on techniques used in integer programming, including column generation and cutting-plane methods. These methods are introduced into a general branch-and-bound algorithm, based on linear relaxation. We test our method on four groups of instances of different sizes, and we compare it with CPLEX, which is one of the best solvers available for optimization problems. We compare it also with an existing method in the literature, combining exact and heuristic methods. Numerical results show that our method was able to outperform both methods, especially when tested on large scale instances

Conception et optimisation d'un système de collecte d'énergie éolienne

Resumé : Cette thèse porte sur l'étude du problème de conception d'un réseau de collecte d'énergie éolienne. Celui-ci consiste à installer les capacités sur les liens d'un réseau électrique potentiel pour acheminer au moindre coût l'énergie produite par des éoliennes vers une sous-station de transformation. L'augmentation du nombre d'éoliennes installées dans un parc éolien nécessite la conception des réseaux étendus sur plusieurs kilomètres de lignes électriques et donc des investissements importants. Face à un tel enjeu financier, l'utilisation d'outils d'optimisation de conception de réseaux s'avère capitale. Le problème de conception d'un réseau de collecte d'énergie éolienne fait partie d'une grande classe de problèmes de conception de réseaux. Mise à part sa complexité héritée de cette classe, ce dernier est sujet à une contrainte technique importante à savoir la non-bifurcation de l'énergie. En effet, les concepteurs de réseau exigent que l'énergie produite par un groupe d'éoliennes et qui est combinée sur un lien donné reste combinée jusqu'à ce qu'elle atteigne la sous-station. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur deux variantes de ce problème. La première variante consiste à installer des câbles souterrains et des lignes de transmission sur les liens potentiels du réseau électrique tels qu'un seul choix de capacité est disponible. La deuxième variante qui est plus compliquée que la première consiste non seulement à déterminer les liens qui sont utilisés pour acheminer l'énergie vers la sous-station, mais également à choisir la capacité de chaque lien utilisé, ce choix devant être fait parmi un ensemble de possibilités fixé par les concepteurs. Tous ces choix doivent être faits en prenant en considération les pertes engendrées par le transfert de l'énergie dans ce réseau. Dans les deux variantes, nous supposons que l'emplacement des éoliennes est prédéfini et qu'il est possible d'installer plusieurs liens parallèles entre deux sommets du réseau. Face à la complexité de ce problème, nous proposons des approches exactes pour la résolution des deux variantes. Plus précisément, nous commençons d'abord par développer les formulations mathématiques appropriées. Nous nous orientons ensuite vers les techniques basées sur la théorie polyédrale qui, de nos jours, sont qualifiées comme très efficaces pour la résolution de problèmes complexes en optimisation combinatoire. Nous déterminons en particulier des inégalités valides et proposons des techniques pour la génération de plans coupants. Toutes les méthodes proposées sont testées sur des exemplaires concrets fournis par notre partenaire industriel. ---------- Abstract : The aim of this thesis is to study the wind farm collection network design problem which consists of choosing a subset of edges of a potential electrical network and assigning the right capacity to each link so that the energy produced by the wind turbines can be sent to a specific sub-station at minimum cost. Designing such an electrical network incures a significant cost when building a wind farm. Therefore, it will be useful to develop efficient tools to find an optimal design in reasonable computation time. The wind farm collection network design problem belongs to a large class of network design problems which is known to be $NP$-hard. In designing a collection network, one must take an important engineering constraint into account. The energy flowing through a link is unsplittable, i.e., once the energy units produced by wind turbines and bundled on a given link these units have to remain bundled until they reach the substation. In this thesis, we will focus on two versions of this problem. The first one consists of selecting edges to install underground cables and transmission lines such that there is only one capacity for each type of link (cable or transmission line). In the second version of the problem we are allowed to install different types of capacities on the edges of the electrical network. Furthermore, power losses due to energy dissipation are accounted for when calculating the objective function. We assume that the locations of the turbines are already known for the two versions of the problem and several parallel links may be installed between two endpoints. We propose models and algorithms for the two versions of the problem. Then we discuss several ways to strengthen our models by means of valid inequalities. We also develop procedures for generating cutting planes. Computational tests performed on instances provided by our industrial partner confirm the efficiency of the proposed methods